高频开关电源并联均流的技术研究(毕业论文)

电子与信息工程学院本科毕业论文论文题目高频开关电源并联均流的技术研究学生姓名XXX学号所属院部电子与信息工程学院专业电气工程及其自动化班级07电气2班指导教师XXXX2011年5月摘要电力控制系统是电力设备安全运行的保证。电力控制必须具备安全可靠的控制电源。随着变电站直流负载的增加，要求组建一个大容量的直流电源系统。单台电源供电给系统的安全稳定运行带来了隐患。采用多个高频开关电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的方向。对于高频开关电源模块的冗余备份的关键就是模块之间电流平均分配。本文详细讨论了均流的几种控制方法，得出民主均流法为电力系统中最实用的均流方式，UC3902芯片的问世，加速了民主均流技术的推广，并广泛应用于电力控制电源。关键词控制电源；高频开关电源；并联均流；民主均流ABSTRACTELECTRICCONTROLSYSTEMISTHEASSURANCEOFSECUREOPERATIONOFPOWEREQUIPMENTELECTRICCONTROLSHOULDHAVEASECUREANDRELIABLECONTROLLINGPOWERALARGECAPACITYDCPOWERSYSTEMISREQUESTEDALONGWITHAGROWINGNUMBEROFDCLOADINSUBSTATIONSASINGLEPOWERSUPPLYBRINGSHIDDENDANGERTOTHESAFEANDSTABLEOPERATIONOFASYSTEMITISTHEDIRECTIONOFTHEDEVELOPMENTOFTHEPOWERTECHNOLOGYTOADOPTSEVERALPARALLELRUNNINGHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYMODULE,WHICHCANPROVIDEHIGHPOWEROUTPUTTHEKEYTOREDUNDANTBACKUPOFHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYMODULEISTHEAVERAGEDISTRIBUTIONOFTHECURRENTAMONGTHEMODULESSEVERALCONTROLLINGMETHODSOFDISTRIBUTINGTHECURRENTEQUALLYAREPARTICULARLYDISCUSSEDINTHISARTICLE,WHICHDRAWSACONCLUSIONTHATDEMOCRATICMETHODTODISTRIBUTINGTHECURRENTEQUALLYISTHEMOSTPRACTICALWAYTOREALIZETHEAVERAGEDISTRIBUTIONOFTHECURRENTTHEAPPEARANCEOFUC3902CHIPACCELERATESTHESPREADOFDEMOCRATICTECHNOLOGYTODISTRIBUTINGTHECURRENTEQUALLYDEMOCRATICCURRENTEVENNESSTECHNOLOGY,ANDITISWIDELYAPPLIEDTOELECTRICCONTROLPOWERKEYWORDSCONTROLLINGPOWERSUPPLYHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWEREVENNESSOFCURRENTINPARALLELLINGDEMOCRATICEVENNESSOFCURRENT目录1绪论111选题的目的和研究重点112高频开关电源简介与分类113电力控制电源的发展22高频开关电源系统321高频开关电源系统构成322隔离型DC/DC变换器4221推挽型变换器4222全桥型变换器423PWM控制器模块53高频开关电源并联特性及均流一般原理731高频开关电源并联特性732均流原理分析与研究8321输出阻抗法9322平均电流自动均流法9323主从设置均流法10324最大电流自动均流法（民主均流法）11325各种均流方法的比较124UC3902均流芯片的应用1341UC3902均流芯片的内部电路及原理1342UC3902均流芯片外围电路的设计20231443多电源模块并联实验参数的确定16431确定电流检测电阻RSENSE16432确定限流电阻RG17433确定调整电阻RADJ18434确定补偿元件RC和CC1844两台25A/12V模块电源并联均流测试195结论和展望2151最大电流自动均流法在电力高频开关电源中的应用2152经验总结与不足22致谢23参考文献25附录27即可）EQUATIONCHAPTER1SECTION11绪论11选题的目的和研究重点电力控制系统保证了电力系统和电力设备的可靠和高效运行，人们都很关注电力控制技术的发展，电力控制技术的日趋完善，已使电力控制达到十分可靠的程度。电力控制必须要有安全可靠的控制电源。由于直流电源是独立于交流动力电源的，不受交流电源系统事故影响，有安全可靠、运行维护方便等特点，能够获得广泛的应用。特别是高电压和对可靠性要求较高的电力设备，直流电源是唯一可供选择的控制电源。由于变电站继电保护装置、自动化装置、事故照明、通信电源和交流不停电电源（UPS）的直流逆变负载的增多，组建一个容量大、安全可靠、不间断供电的直流电源系统是非常急迫的。假若只采用一台电源供电，整流器会处理巨大的功率，产生的电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率因数的提高都会带来困难。并且一旦系统中某台电源发生故障，则易导致整个系统处于崩溃状态。如果采用多个高频开关电源模块，并将其并联运行，并联的电源系统中每个整流模块处理较小功率，系统就能提供大功率的输出，使得上述单台电源遇到的问题得以解决。本文重点研究多个高频开关电源模块的并联运行的一个关键问题，就是负载电流的平均分配问题。即如果在系统中没有进行均流电路的设计，则很有可能出现其中的某一个或某一些整流模块承担很大的负载电流，这些模块运行在极限状态，而有些模块处于轻载运行的状态，易导致分担电流多的模块的热应力大，降低了系统的可靠性。12高频开关电源简介与分类开关电源的优点有很多，如体积小、效率高等，在各种电子产品中得到广泛的应用。然而开关电源的控制电路很复杂、输出的纹波电压很高，因此开关电源的应用也会受到一定的限制3。供电电源的小型化是电子装置的小型和轻量化的重要环节，因此必须尽可能使电源电路的损耗降低。开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加3。目前市场上开关电源中功率管多采用MOSFET的开关电源，转换频率可达100KHZ。为提高开关频率必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为0，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化6。高频开关电源的电路结构有多种2（1）按DC/DC变换器的工作方式分单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等。（2）按控制方式分脉冲宽度调制PWM式；脉冲频率调制PFM式；PWM与PFM混合式。（3）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。以上这些方式的组合可构成多种方式的高频开关电源。13电力控制电源的发展发电厂、变电站中，为控制、信号、保护、自动装置及某些执行机构如断路器、UPS电源提供电源的系统通常称为控制电源。我国的直流控制电源的技术发展大致分为三个阶段1初级应用阶段20世纪80年代初为初级应用阶段。此阶段的直流电源技术基本是沿用国外或者搬用国外的传统做法。其特点是系统容量小、设备简陋，仅满足于小容量发、变电工程要求，规划、设计、运行和管理尚未形成完整、系统的规范体系、直流系统事故及其导致的电力系统事故时有发生10。2发展研究直流系统规范化阶段20世纪80年代中期至20年代末为发展研究直流系统规范化阶段。在此期间电力设计、研究和制造部门进行了三件事（1）编制修订了一系列直流电源设计、施工、设备应用和运行管理的技术标准。（2）以阀控铅酸蓄电池和智能高频开关电源模块装置为代表的直流新技术、新设备的开发和应用，奠定了直流电源技术的基础。（3）电力工程直流电源设计的标准化和规范化，先后三次修订了全国性的直流系统典型设计修订，有效地促进了电力工程直流系统设计的标准化和规范化10。3现代电源技术应用阶段20世纪末至今为现代电源技术应用阶段。电力工程直流技术已跨入一个崭新的现代电源技术时代。电力控制电源正向高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电的有机结合10。2高频开关电源系统21高频开关电源系统构成高频开关电源的开关部分是功率半导体管，通过功率管周期性地间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压的大小。开关电源的基本构成如图21所示，其中的核心部分是DC/DC变换器，进行功率转换，此外还有起动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波等电路。电阻R1和R2对输出进行采样，主要任务是检测输出电压的变化，并与基准电压UR比较，误差电压UE经过放大和脉宽调制（PWM）电路，再通过驱动电路控制功率管，调节开关器件的占空比，从而调整输出电压的大小。图22是一种电路实现形式2。DC/DC变换器比较放大PWM驱动器UIURR1UOR2图21开关电源的基本构成V3PWMATV1V2LC_UOURUIR1R2图22开关型稳压电源的原理电路DC/DC变换器有多种形式，运用最多的有PWM变换器和谐振型变换器，其中PWM变换器的工作波形为方波，谐振型变换器的工作波形为准正弦波。开关型稳压电源的输入端的瞬态变化很多都表现在输出端。提高开关频率后，能改善反馈放大器的频率特性，也能解决开关电源的瞬态响应问题。输出端的LC滤波电路特性决定了负载的瞬态响应特性，所以提高开关电源的瞬态响应特性可通过提高开关频率、减小输出滤波器LC的乘积来实现。22隔离型DC/DC变换器DC/DC变换器在大多数情况下需要隔离输入端与输出端，一般采用变压器进行隔离，这类开关电源称为隔离型变换器。该变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，通过变压器升压或降压后，再通过整流器和滤波器变为平滑的直流电压或电流，故该变换器又称逆变整流型变换器。下面介绍推挽型和全桥型这两种常见的隔离型变换器。非隔离型变换器用到的场合不多，本文从略。221推挽型变换器推挽型变换器是典型的逆变整流型变换器，电路结构和工作波形如图23所示。加在变压器的一次绕组上的电压幅值为输入电压UI，脉冲宽度为开关导通时间TON的脉冲波形，变压器的二次侧的电压通过二极管V1和V2的全波整流变为直流。FTV1LC_UOUIRV2N1N2N1N2S1S2S1S2UFTSDTS图23推挽型变换器电路和工作波形开关S1和S2交替导通，当S1导通时，二极管V1处于通态；当S2导通时，二极管V2处于通态；当两个开关都关断时，V1和V2都处于通态，各承担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2UI1。为了避免S1和S2同时导通引起的变压器一次侧绕组发生短路，每个开关的占空比应满足的条件为50，并且还要留有死区。ONSTDT当滤波电感L的电流连续时，输出电压和输入电压的关系是（21）21OONISUTN对推挽型变换器用PSIM60软件做了仿真，电路图和波形图见附录。222全桥型变换器全桥型变换器电路如图24所示，S1、S3及S2、S4是两对开关，重复交互通断。而两对开关导通存在时间差。所以变压器一次侧所加的电压UAB是脉冲宽度和其时间差相等的方波电压。变压器二次侧的二极管将该电压整流后变成方波（UF），再经滤波电路变为平滑的直流电给负载供电。其工作波形如图25所示。FTV1LC_UOUIRV2N1N2N2S2S1S4S3AB图24全桥型变换器电路S1、S3S2、S4UABUFTSDTS图25全桥型变换器工作波形当滤波电感L的电流连续时，输出电压和输入电压的关系是（22）21OONIUTNT全桥DC/DC变换器的优点有两个一是DC/DC变换器只需一个原边绕组，通过正、反向电压得到正、反向磁通，副边绕组采用全桥式全波整流输出。因此变压器铁芯和绕组可得到最佳利用，从而使传送效率得到提高。二是功率开关管可以在非常安全的情况下运行。对全桥型变换器用PSIM60软件做了仿真，电路图和波形图见附录。23PWM控制器模块脉冲宽度调制（PWM）控制器就是通过重复通、断开关的工作方式把一种直流电压（或电流）变换为高频方波电压（或电流），再通过整流滤波电路变成另一种直流电压输出。PWM变换器由功率开关管、整流二极管及滤波电路等器件组成。输入和输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。PWM控制器的工作原理如图26所示。随着开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。对PWM控制器，加在开关管S两端的电压US及通过S的电流IS的波形近似为方波，如图27所示。TVLC_UOUIRSISUS_图26PWM控制器的基本工作原理SONOFFONISTONTOFFTSUS图27PWM控制器开关工作的波形其占空比D定义为（23）ONONFSTTT式中TS是开关的工作周期；TON是一个开关周期内导通的时间；TOFF是一个开关周期内断开的时间；对于这种控制器，有两种工作方式。一种是保持开关工作周期TS不变，控制开关导通时间TON的脉冲宽度调制（PWM）方式，这种方式普遍采用。另一种是保持导通时间TON不变，改变开关工作周期TS的脉冲频率调制（PFM）方式。3高频开关电源并联特性及均流一般原理电力系统中的直流系统普遍采用高频开关电源模块，而对于高频开关电源模块的冗余备份的关键是模块之间的电流需平均分配。对于多个高频开关电源模块的并联系统，提出的基本要求有（1）系统中的所有模块电源的外特性必须一致，均流误差通常规定不超过5；（2）用冗余备份供电系统保证任一高频开关电源模块损坏或者过流保护停止工作时，负载可以从备用模块中获得足够的电量；（3）各模块承受的电流自动均流，为提高系统的可靠性，尽可能不增加外部均流的控制，减少均流失败的因素；（4）当输入电压或负载电流变化时，应能保持输出电压稳定，并使系统具有良好的负载响应特性。负载突变时不会造成电流严重分配不均而停机。31高频开关电源并联特性与线性电源相同，开关电源也具有如图31所示的外特性（输出特性）。OUFIDC/DCUSRRLUOUOUUOMAXIRUIIOA单台开关变换器的外特性DC/DC变换器R1RL12R2I1I2UOUOMAXIOUOUO12IO2IO1IO2IO1B两台开关变换器并联的外特性图31开关变换器的外特性R为开关电源的输出电阻，其中包括开关电源模块接到负载的导线或电缆的电阻。空载时模块的输出电压为，当电流变化时，负载电压变化，则该模块的MAXOUIU输出电阻为（31）URI对电源模块而言，电流增加时，输出电压降落。因此上式也表示开关电源IU的输出电压调整率。由图31A可知，开关电源的负载电压与负载电流的关系为OOI（32）MAXOOURI如图31B所示，两台容量相同、参数相同的开关变换器并联，负载电压分别表示如下（33）1MAX1OOI（34）22R式中、分别为模块1及模块2的输出电阻（包括电缆电阻）。设为负载电1LR阻，由基尔霍夫电压定律，可得（35）1121OOLIIU（36）22R可解得（37）2121OOLRI（38）12122LUR（1）尽量使用性能和参数一致的元器件，并使结构和安装尽量对称；（2）利用反馈控制的方式，调整各个模块的外特性，使它们接近一致。后者就是均流技术的基础8。32均流原理分析与研究多台电源并联组成的大功率电源系统，应像单台电源一样，在输入总线和输出负载变化的情况下，除系统的输出电压等电特性始终保持稳定不变外，还要能长期、无故障地可靠运行。这就要求系统在任何时刻都得确保相关联的各台电源承受的电、热应力基本相当。也就是说，必须采取某种相应的措施，保证系统不致因并联各电源承载情况的差异，造成电、热应力不平衡而引起恶性循环，影响系统特性和可靠运行。均流技术就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制，实现尽可能均分系统输出总电流，确保多台电源可靠运行的一种措施。从目前国内外对均流技术的研究看，在并联的电源系统中，实现均流控制常用的几种并联均流技术有（1）输出阻抗法（斜率控制法）；（2）平均电流自动均流法；（3）主从设置均流法；（4）最大电流自动均流法（民主均流法）。321输出阻抗法输出阻抗法又称电压调整率法，均流控制原理图见图32。其机理是调节变换器的外特性斜率（输出电阻），在各模块间合理分配电流。实质是利用开关电源输出电阻的开环技术来获取电流输出平衡。这种均流的缺点很明显，本质上是一种开环控制，在小电流时电流分配特性差，重载时分配特性好一些，但仍不均衡。而且为了实现均流，各模块需要个别调整，对于不同额定功率的模块难以实现均流。电流放大器UFUSURIOUE电压放大器RSUIR100R图32输出阻抗法均流控制原理图图32中，为模块电流的检测电阻，与负载电阻串联。检测到的电流信号经过SR电流放大器输出（电压），与模块输出的反馈电压，综合加到电压放大器IU05VFU的输入端。这个综合信号电压与基准电压比较后，其误差经过放大得到，则随RE着该台电源输出电流的变动，将作相应变动，通过调节该台电源内部脉宽调制EE器及驱动器，用以自动调节模块的输出电压。当某模块电流增加得多，上升，S下降，使该模块的输出电压随着下降，即外特性向下倾斜（输出阻抗增大），接近E其它模块的外特性，使其它模块电流增大，实现近似均流，这个方法是最简单的实现均流的方法，本质上属于开环控制，在小电流时电流分配特性差，重载时分配特性要好一些，但仍是不平衡的。其缺点是电压调整率下降，为达到均流，每个模块必须个别调整对于不同额定功率的并联模块，难以实现均流。采用引入输出电流反馈的方法实现均流。在电压反馈型DC/DC变换器中将输出电流引入反馈回路中，这样当输出电流增加时，输出电压将降低从而调节并联模块的输出阻抗，实现均流的目的。由于用输出阻抗法均流的系统的电压调整率差，因此这一方法不可能用在电压调整率要求很高（例如3或小于3）的电源系统中161718。322平均电流自动均流法平均电流自动均流不需要外部控制器，并联各电源模块的电流放大器输出端（如图33中的点A）通过一个电阻R接到一条公用母线上，称为均流母线。模块的输出电流随着输出电压变化，从而实现模块间负载电流的均分。图33为N个并联模块中一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图。功率级负载均流电流放大电压放大RAB均流母线UB均流控制器UCURUFURUIUE图33平均电流自动均流控制原理图电压放大器输入为和反馈电压，是基准电压和均流控制电压的综RFRURC合，它与进行比较放大后，产生（电压误差）来控制PWM及驱动器。为电FUEIU流放大器的输出信号，和模块的负载电流成比例，为母线电压。B现在讨论两个模块并联（N2）的情况，及分别为模块1和2的电流信号，1I2I都经过阻值相同的电阻R接到母线B，因此，当流入母线的电流为零时，可得下式（39）120IBIBR或（310）IIBU即母线电压是和的平均值，也代表了模块L、模块2输出电流的平均值。1I2I与之差代表均流误差，通过调整放大器输出一个调整用的电压。（可IBCUC能大于、也可能小于）。当时，电阻R上的电压为零，表明这时己IBIU0C实现了均流。当R上有电压出现，说明模块问电流分配不均匀，这时基准BI电压将按下式修正（311）RICU相当于通过调整放大器改变，以达到均流的目的。这就是按平均电流法实现自动R均流的原理。按平均电流均分负载电流的方法可以精确的实现负载均流，但它同时存在缺陷。例如当均流母线发生短路或者在均流母线上的任何一个模块出现故障时，将会使均流母线电压降低，从而使得各模块的输出电压降低，甚至达到其下限值，引起整个系统发生故障161718。323主从设置均流法这一方法适用于有电流型控制的并联开关电源系统中，开关电源模块中有电压控制和电流控制，形成双闭环系统。电流环是内环，电压环是外环。主从设置均流法是在并联的N个变换器模块中，人为指定其中一个为“主模块”，而其余各模块跟从主模块分配电流，称为从模块。图34给出N个DC/DC变换器模块并联的主从控制原理示意图。UE电流放大URUI1PWM1主模块UEUIKPWMK从模块UCUCUEUINPWMN从模块UCUF图34主从设置法均流控制原理图图中每个模块都是双环控制系统。设模块1为主模块，按电压控制规律工作，其余的N1个模块按电流型控制方式工作。为主模块的基准电压，为输出电压反RFU馈信号。经过电压误差放大器，得到误差电压，它是主模块的电流基准，与EU（反映主模块电流的大小）比较后，产生控制电压，控制脉宽调制器和驱动1IU1IC器工作。于是主模块电流将按电流基准调制，即模块电流近似与成正比。EE各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差输入各跟E随器，于是跟随器输出均为，它即是从模块的电流基准，因此各个从模块的电流都EU按同一值调制，与主模块电流基本一致，从而实现了均流。E主从控制法均流的精度很高，但存在的最大缺点是一旦主控电源出现故障，整个系统将完全失控。此外，由于系统在统一的误差电压控制下，任何非负载电流引起的误差电压的变化，都会导致各并联电源电流的再分配，从而影响均流的实际精度。通常希望主控电源电压取样反馈回路的带宽不宜太宽，主从电源间的连接应尽量短161718。324最大电流自动均流法（民主均流法）最大电流自动均流法也叫自主均流，图35描述了最大电流自动均流法的简要原理。这种方法和平均电流法相似，只是将后者和均流线相连的电阻换成了二极管（令A点接二极管阳极，B点接阴极）。如图35，均流母线上的电压反映的是并联各模块的中的最大值。由于二极BUIU管的单向性，只有对电流最大的模块，二极管才导通，A点方能通过它与均流母线相连。设正常情况下，各模块分配的电流是均衡的。如果某个模块电流突然增大，成为N个模块中电流最大的一个，于是上升，该模块自动成为主模块，其它各模块为从I模块。这时，而各模块的与（即）比较，通过调整放大器调整基MAXBIUBMAXI准电压，自动实现均流。功率级负载均流电流放大电压放大AB均流母线UB均流控制器UCURUFURUIUE图35最大电流法自动均流控制原理图最大电流自动均流法与主从设置均流法相比较，不同的是最大电流法实现负载均流时，其主电源模块是随时变换的。最大电流法能随时根据系统中承担电流最大的模块，不断调整各并联模块分担的负载电流，实现系统总电流在各电源模块中的精确分配。因而这种控制方法能够对故障模块自动隔离，便于实现系统冗余和热插拔，提高系统的可靠性161718。325各种均流方法的比较1主从设置法均流利用双环控制，提高了均流效果，主要缺点是1主从模块间必须有通讯联系，使系统复杂。2如果主模块失效，则整个电源系统不能工作，因此这个方法不适用于冗余并联系统。3电压环的带宽大，容易受外界干扰。2平均电流法可以精确地实现均流，但均流母线短路，或接在母线上的任一模块不能工作时，母线电压下降，促使各模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障。3输出阻抗法不需要在并联模块电源间建立联系，是最简单的实现并联均流的方法。但它的缺点也很明显首先它是通过改变模块等效内阻实现均流，在提高均流性能的同时会导致模块的电压调整率下降。4用最大电流均流法的并联模块电源间不独立，而是通过均流母线联系。它为每一个模块电源提供一个电流基准值，而所有并联模块电源则依据这个基准值来调整输出电流，实现系统总电流在各并联电源中的精确均分，是一种优良的均流方法16。4UC3902均流芯片的应用41UC3902均流芯片的内部电路及原理直流模块并联的方案很多，但存在着一些不足如输出阻抗法的均流精度太低；主从设置法和平均电流自动均流法都无法实现冗余，使并联电源模块系统的可靠性得不到很好保证；而最大电流自动均流法有许多优势，如均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等，越来越受到广大产品开发人员的青睐。最大电流自动均流法的特点是，电流最大的模块被自动确定为主模块，主模块调节均流母线电压和它的输出电流成正比。从模块以均流母线电压为基准，使得每个模块都能均分电流。根据这一特点，UNITRODEIC公司开发出了集成芯片UC3902，其外形有八个管脚，管脚编号及功能如图41所示。UC3902由电流检测放大器、均流驱动和均流检测放大器、跨导式误差放大器、缓冲级调整放大器和辅助工作电路组成20。电流检测放大器12348765偏差欠压锁定GNDSENSEADJADJR缓冲级调整放大器06V50MV跨导式误差放大器VCCSHARESHARECOMP均流检测放大器负载均分控制器限压23VR40R均流驱动放大器图41UC3902内部电路原理图电流检测放大器，其增益为40。电流检测放大器的输出电流是与电源模块的输出电流成正比的，且作为输入信号提供给均流驱动放大器的正向输入端和误差放大器的反向输入端。因为均流驱动放大器为单位增益，所以均流驱动放大器的输出电压等于电流检测放大器的输出电压。假如这个电压在所有模块中属于最高电位，那么这个模块称为主模块，主模块均流驱动放大器的输出决定了均流母线的电压。比均流母线电压低的模块称为从模块，从模块控制器的均流驱动放大器的输出是不与均流母线相通的，这是因为被串联在均流驱动放大器输出的二极管隔离了。均流检测放大器检测均流母线上的电压UB，并把输出信号作为误差放大器的正向输入端，跟均流驱动放大器一样，增益也为1。因此均流检测放大器的输出电压与主模块的输出电流相对应，也就是和均流母线上的电压相对应。UC3902的误差放大器应用了跨导放大。如果把反馈网络连接在误差放大器的反向输入端与输出端，那么所代表的输出电流是不准确的。而跨导放大器把反馈网络连接在误差放大器的输出与地线之间，这样把电流信号放在误差放大器的反向输入端，提高了放大器输出电流的可靠性。同时，跨导放大器需要一高的输入与输出阻抗，用电流源输出阻抗代替电压源输出阻抗，相应的跨导被定义为A/V，乘以带有补偿网络阻抗的跨导GM，就转化为V/V。误差放大器稳定状态的输出电压是电流检测放大器的输出和均流检测放大器输出的电压差的函数，当工作在主模块状态时电压差为零。为确保误差放大器正确的工作状态，有50MV的偏置串联在它的反向输入端。这种人为的补偿是为了增加主从模块之间转换的裕度，同时将确保工作在主模块状态的误差放大器输出为零，但所有的从模块产生非零的误差电压，这一非零的误差电压是与各个电源模块电流检测放大器的输出和均流母线电位之差成比例的。误差放大器的输出电压是用来调整变换器模块的输出电压，以平衡所有并联模块的负载电流，这是通过一调整放大器和缓冲三极管NPN来实现的。调整放大器输出的误差信号去驱动NPN三极管，一个电阻连接在三极管的发射极和地，误差信号定义为，它流经ADJ管脚与正的输出端之间的电阻。就是通过改变上ADJIADJRADJIAJR的电压来调节模块的输出电压，从而实现模块间的均流2023。42UC3902均流芯片外围电路的设计2023UC3902的外围电路如图42所示。此芯片只需要很少的外部元器件。如电流检测电阻、限流电阻、调整电阻、补偿电容和补偿电阻。必须准确SENRGRADJCCR设定这些元器件才能使UC3902芯片正常工作。在计算这些元器件的值之前，必须确定模块变换器中的3个参数（1）即额定输出电压；NOMOU（2）即最大输出电流；MAXOI（3）最大输出电压调节范围。U各电源模块间为精确均流，首先要检测每个模块的输出电流。电流检测电阻检测一个负信号输入到电流检测放大器的反向端。SENR对检测电阻的选择要考虑2个因素最大功耗；通过检测电阻的最大压降。GNDSENSEADJADJRVCCSHARESHARECOMPUC390212ISENSEUI348765CCRCRGRADJOUTROUT1ROUT2RSENSEISENSE15V图42UC3902芯片的典型应用功耗受到效率、器件的额定功率的限制。最大压降要与芯片内部对信号的限制相对应，关键是防止电流检测放大器的饱和，电流检测放大器输出的最高电压是的函数，根据芯片手册和实际调试的经验，取左右，相应可MAXSENUC510V得，式中电流检测放大器的增益。MAXSENSCA4CSA（41）AXMAXMSESESNOAOURII根据经验应工作在之间，因为较低的值可能引起系统对噪音的AADJI510A敏感，但不超过。ADJR管脚上可能的最高电压和连接在ADJR管脚与10MAXADJU地之间的电阻决定实际的的值，因此GRMAXADJI（42）MAXADJUI为调整电阻，是电源检测线正端的阻抗，它的值与和有关，因ADJRMAXOUAXADJI为检测电阻降低了输出电压的调整范围，所以SEN（43）MAXAOSENADJADJUIR所有并联模块的均流环都是负反馈控制环，为了可靠地工作，负反馈控制环必须稳定。均流环加在单个模块电源上时，必须避免各控制环之间的相互干扰。为保证电压环稳定，均流环的交越频率应远比电压环交越频率低，一般低至少10倍，这样均流环在电压环交越频率处达到最小，使均流环不会干扰到电压环。可以用以下的传递函数，对本网络进行分析APWR电压环的传递函数。AVOVIS该增益是输出电压和检测电阻上电压间的关系，由负载阻抗值决定（44）SENVOISLRACSA电流检测放大器的增益，其值为40不变。ASHA均流驱动和均流检测放大器增益，其值为1。AEA误差放大器增益，（45）EAMCOPGX式中GM为跨导，XCOMP为复频函数补偿器件的阻抗。AADJ调节电路的增益。（46）12DJOUTJGR所以均流环增益为（47）SHPWRVOISCSAHEADJA为保证系统的稳定性，应通过设定相关实验参数，以控制均流环的增益在1左右。43多电源模块并联实验参数的确定将两个输出直流电压12V，额定输出电流25A，输出功率300W的模块电源并联，UC3902均流控制器外围电路的设计如图43所示。UC3902的工作电压范围是，模块电源的输出电压正好在这个范围之内，故设计中UC3902的工作电压270V可直接由模块电源提供。若利用UC3902实现电压在20V以上的模块电源的并联，只需对图43稍加改变即可。431确定电流检测电阻RSENSE由（41）式，式中USENSEMAX为电流检测放大器的MAXMAXSENSESOCAOUII最高电压，ACSA为增益，ACSA40；IOMAX为电源模块的最大输出电流，IOMAX25A。检测电阻一般用精度较高的电阻来提高均流精度。由于RSENSE的选择要从电阻的最大功耗及其最大压降来考虑，功耗受效率和器件额定功率的限制。最大电压必须与芯片内部对信号的限制相对应，防止电流检测放大器达到饱和区。根据芯片手册和实际调试的经验，取为宜，所以可选USENSEMAX6V。则有510V（48）MAX60642SENSECAOURMIAGNDSENSEADJADJRVCCSHARESHARECOMPUC390212ISENSE1UI348765CCRCRGRADJOUTROUT1ROUT2RSENSEISENSE112VGNDSENSEADJADJRVCCSHARESHARECOMPUC390212ISENSE2UI348765CCRCRGRADJOUTROUT1ROUT2RSENSEISENSE2SHARESHARE12V图43两电源模块并联的电路设计432确定限流电阻RG由（42）式，为保证驱动电流和功率损耗都在UC3902所允许的MAXADJUI范围之内，应当使足够小，一般在的范围之内，选择IADJMAX5MA。这AXJ510MA是因为较小的电流会增加对噪音的灵敏度，而过大的电流会增加缓冲三极管的损耗。通常选定，将这两个数据代入（42）式，得MAX26ADJV（49）3AX501GJURI实际上选择。G433确定调整电阻RADJ由（43）式，UOMAX为输出电压最大调整范围。MAXAOSENADJADJUI，2MAXAXIN1OTOOUR其中UOMAX126V，UOMIN114V，取ROUT1ROUT2，（410）2MAXMAXIN161406TOV（411）3AAX0625091OSENADJADJIAR而RADJ的数值应小到不影响模块电压反馈回路的正常工作，一般在之201间，实际选择。85J434确定补偿元件RC和CC补偿元件RC和CC可由均流环增益求得。CC和RC的选择比较复杂，需要考虑系统的稳定性。（412）2ADJSENMSAPWRCGLF式中GM为误差放大器的跨导，GM45MS；FC为均流环的交越频率，为了保证系统的稳定性，电压环的交越频率应为10FC到20FC，这里取电压环的交越频率10FC。模块的电压环的交越频率10FC40HZ，则均流环的交越频率FC选定为4HZ，在FC频率下电压环的增益可以在模块电源和RSENSE之间接一个测量信号测得APWR10DB。RL是负载电阻值，（413）MAX120485OLUVRIA335610428ADJSENMCCSPWRGLFF（414）61490149F（415）62510CCRFCC一般选择几百皮法至几千皮法，实际选择50F。在CC串入补偿电阻RC是使负载均流回路有更好的相位裕度，实际选择200。CC和RC也可经过实际电路调整。44两台25A/12V模块电源并联均流测试为验证最大电流自动均流法的均流效果，建立如图44的仿真电路并对其进行仿真分析。仿真时特建立了输出特性不一致的两个模块进行并联均流分析。对比加入均流控制前后的两模块的输出电流和（和），检验其均流效果。1OI2OI图44两台25A/12V模块电源并联仿真电路图输出电压UO与模块电流和（无均流）和（有均流）的测试结果如1OI21OI2表41所示。表41两台25A/12V模块电源并联均流测试UOVIO1AIO2AIO1AIO2A均流精度114030282114252624981111702766223024852455121200243222442382234018122020501978202620080912401856173017921766151260162015301598156222均流误差，MAXINEROOII均流精度。10AVG无均流控制时，两模块并联运行的输出电流动态波形如图45所示。图45两电源模块IO的动态波形（无均流控制）加入均流控制时，两模块并联运行的输出电流动态波形如图46所示。图46两电源模块IO的动态波形（加均流控制）设计和实验结果表明，应用UC3902均流控制器构成均流电路，其均流精度可控制在25以内，可靠性高。UC3902芯片对低电压，大电流的电源模块的均流效果尤为明显。5结论和展望51最大电流自动均流法在电力高频开关电源中的应用目前，我国正大力实施变电站的无人值班管理，因此，对设备的选择将会朝着小型化、无油化、少维护或免维护及自动化程度高的方向发展。高频开关直流电源正能适应这种要求，经过这几年的运行考验，这种产品的性能已逐步成熟、稳定。凭着优越的技术性能和良好的价格性能比，高频开关电源将成为直流电源更新换代的首选产品。在电力系统中，直流电源作为继电保护、自动装置、控制操作回路、灯光音响信号及事故照明等控制电源之用，是发电厂和变电站比较重要的设备。因直流电源故障而引发的事故时有发生。所以，对直流电源的可靠性、稳定性具有很高要求。传统的直流电源多数采用可控硅整流型。近些年来，许多直流电源厂家推出智能化的高频开关电源，这种电源系统具有许多优点安全、可靠、自动化程度高、具有更小的体积和重量、综合效率高以及噪音低等，适应电网发展集中控制变电站的发展需要。随着变电站大量继电保护装置、自动化装置、事故照明、通信电源和交流不停电电源（UPS）的直流逆变负载的增加，要求组建一个大容量、安全可靠、不间断供电的直流电源系统。如果采用单台电源供电、该变换器势必处理巨大的功率、电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃10。采用多个高频开关电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。并联系统中每个模块处理较小功率，解决了单台电源遇到的问题。对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是一是输入电压或者负载发生变化时，保持输出电压稳定；二是控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。为提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性1实现冗余，当任意模块发生故障时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃；2实现热插拔，电源系统真正意义上的不间断供电；3均流方案无需外加均流控制单元；4使用一条公共的低带宽均流总线来连接各模块单元，民主均流无疑是最经济、最安全、最合理的一种选择。在湖北境内的已投运的500KV交流变电站有19座，除了最早的平武工程投运的凤凰山变电站、双河变电站的瑞典ASEA公司生产的相控型整流器未完全退出直流系统外，其余十七个变电站的直流电源全部为高频开关电源。早期的高频开关电源由于生产厂家采用的均流方式不完善，导致500KV襄阳变电站、凤凰山变电站的直流48V通信用的高频开关电源模块由于不均流过载的模块损坏，其负载加至其他运行模块，减少正常模块的运行寿命，导致不安全隐患时有发生；相反，直流110V高频开关电源生产厂家的设计的均流方式全部采用的最大电流自动均流法，未出现不均流现象，保证了110V直流系统的安全稳定运行。52经验总结与不足本论文所做的主要工作是研究介绍了几种常用的负载均流方法及电路分析。通过比较几种均流方法，总结出民主均流法是高频模块并机使用的最佳方案。民主均流法比其他方式均流有以下优点（1）均流精度高；（2）外围电路设计简单；（3）该方式均流动态特性好，模块故障自动退出均流，不影响系统正常工作；（4）易于做热插拔，操作方便于不影响直流负载供电的情况下检修故障模块。同时本文也存在不足之处，比如二极管总存在正向压降，因此主模块的均流会有误差；均流是一个从模块电流上升并超过主模块电流的过程，系统中主、从模块的身份不断交替，各模块输出电流存在低频振荡。但可能在硬件实现上有一定的困难，有可能忽略了实际应用中一些潜在的问题，所以论文中用到的大多还是关于民主均流方法，其他三类均流方法也各有优点。但是希望能在以后的时间里对电力高频开关电源并联均流方面作继续研究努力。致谢毕业论文暂告收尾，这也意味着我在咸宁学院的四年学习生涯既将结束。回首既往，自己最宝贵的时光能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时